# Credit-Based Shaping

**Credit-Based Shaping**(크레딧 기반 대역폭어)은 실시간 네트워크 통신, 특히 **IEEE 8021Qav** 표준에서 정의된 **Time-Sensitive Networking**(TSN) 환경에서 사용되는 대역폭 관리 기법 중 하나입니다. 이 기법은 특정 트래픽 클래스(예: 오디오/비디오 스트림)에 대해 **예측 가능한 전송 지연**과 **대역폭 보장**을 제공하기 위해 설계되었으며, 특히 **비정기적인 트래픽**이 실시간 트래픽에 미치는 영향을 최소화하는 데 목적이 있습니다.

Credit-Based Shaping은 전통적인 큐잉(Queuing) 방식과 달리, 시간 기반 스케줄링이 아닌 **가상 크레딧**(virtual credit) 시스템을 활용하여 대역폭을 동적으로 할당합니다.

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## 개요

네트워크 환경에서 다양한 유형의 트래픽(예: 일반 데이터, 실시간 오디오/비디오, 제어 신호 등)이 동시에 전송될 경우, 대역폭 경쟁으로 인해 중요한 실시간 트래픽이 지연되거나 손실될 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 개발된 **TSN**(Time-Sensitive Networking) 기술은 실시간성과 신뢰성을 보장하는 다양한 메커니즘을 포함하고 있으며, 그 중 하나가 **Credit-Based Shaping**(CBS)입니다.

CBS는 **비정기적인 트래픽**(asynchronous traffic)을 위한 **대역폭 제어 기법**으로, **오디오 비디오 트래픽**(AV traffic)을 위한 **클래스 A**(Class A)와 **클래스 B**(Class B)에 적용됩니다. 이 기법은 각 트래픽 큐에 대해 **크레딧**(credit)을 부여하고, 이 크레딧이 양수일 때만 프레임 전송을 허용함으로써 대역폭을 제어합니다.

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## 작동 원리

Credit-Based Shaping은 다음과 같은 핵심 개념을 기반으로 동작합니다:

### 1. 크레딧(Credit) 시스템
- 각 큐는 **가상 크레딧** 값을 가지며, 이 값은 시간에 따라 증가하거나 감소합니다.
- 크레딧이 **양수 또는 0**일 때만 프레임을 전송할 수 있습니다.
- 크레딧이 **음수**가 되면 전송이 **일시 중단**됩니다.

### 2. 크레딧 변화율
크레딧은 두 가지 상태에서 변화합니다:

- **전송 중**(Sending): 크레딧이 감소 (감소율: `idleSlope`)
- **대기 중**(Idle): 크레딧이 증가 (증가율: `sendSlope`)

여기서:
- `idleSlope`: 해당 큐가 전송 중이지 않을 때 크레딧이 증가하는 비율 (일반적으로 음수 값)
- `sendSlope`: 해당 큐가 프레임을 전송할 때 크레딧이 감소하는 비율 (일반적으로 양수 값)

> ✅ **참고**: `idleSlope`와 `sendSlope`는 ****(bit per second) 단위로 표현되며, `idleSlope`는 실제로는 음수 값이지만 절대값으로 취급됩니다.

### 3. 크레딧 한계
- **최대 크레딧**(hiCredit): 크레딧이 증가할 수 있는 최대값
- **최소 크레딧**(loCredit): 크레딧이 감소할 수 있는 최소값

이 한계값은 트래픽의 버스트(burst) 크기를 제어하며, 네트워크의 예측 가능성을 높입니다.

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## 수학적 모델

크레딧 \( C(t) \)는 시간 \( t \)에 따라 다음과 같이 변화합니다:

\[
C(t) = 
\begin{cases} 
C(t_0) + \text{idleSlope} \times (t - t_0) & \text{if idle, } C < \text{hiCredit} \\
C(t_0) + \text{sendSlope} \times (t - t_0) & \text{if sending, } C > \text{loCredit}
\end{cases}
\]

여기서:
- `idleSlope` = 네트워크에서 할당된 대역폭 (예: 75%)
- `sendSlope` = 링크 속도 - `idleSlope`

예를 들어, 100Mbps 링크에서 Class A 트래픽에 75Mbps를 할당하면:
- `idleSlope` = 75,000,000 bps
- `sendSlope` = 100,000,000 - 75,000,000 = 25,000,000 bps

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## 주요 파라미

| 파라미터 | 설명 |
|--------|------|
| `idleSlope` | 대역폭 할당량 (bps). 크레딧이 증가하는 속도 |
| `sendSlope` | 전송 시 크레딧이 감소하는 속도 (bps) |
| `hiCredit` | 최대 크레딧 한계 (버스트 허용 크기) |
| `loCredit` | 최소 크레딧 한계 (일반적으로 0 또는 음수) |

이 파라미터들은 네트워크 설계 시 트래픽의 특성(버스트 패턴, 평균 대역폭 등)에 따라 정해집니다.

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## 장점

- ✅ **예측 가능한 지연**: 크레딧 기반 제어로 인해 최대 지연 시간을 계산 가능
- ✅ **공정한 대역폭 공유**: 여러 실시간 트래픽 간의 공정한 대역폭 분배
- ✅ **버스트 제어**: `hiCredit` 제한으로 인해 과도한 버스트 전송 방지
- ✅ **하드웨어 구현 용이**: 비교적 간단한 알고리즘으로 FPGA/ASIC에 구현 가능

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## 한계 및 고려사항

- ❌ **정확한 파라미터 설정 필요**: 잘못된 `idleSlope`나 `hiCredit` 설정은 대역폭 낭비 또는 지연 증가를 초래
- ❌ **정기적 트래픽에는 비효율적**: 주기적인 실시간 트래픽에는 **Time-Aware Shaper**(TAS, IEEE 802.1Qbv)가 더 적합
- ❌ **지연 변동성**: 버스트 전송 시 최소 지연은 보장되나, 최대 지연은 여전히 존재

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## 적용 사례

Credit-Based Shaping은 주로 다음과 같은 환경에서 사용됩니다:

- **산업 자동화**: 로봇 제어, 센서 데이터 전송
- **자동차 네트워크**: IVN(In-Vehicle Network)에서 오디오/비디오 및 제어 신호 분리
- **AV 장비 네트워크**: 스튜디오 내 실시간 미디어 스트리밍
- **스마트 제조**: 실시간 모니터링 및 제어 시스템

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## 관련 표준

- **IEEE 802.1Qav**: Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams
- **IEEE 802.1Qbv**: Time-Aware Shaper (CBS와 함께 사용됨)
- **IEEE 802.1Qcc**: TSN 스트림 예약 및 구성 개선

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## 참고 자료

- IEEE 802.1Qav-2011 Standard Document
- "Time-Sensitive Networking: A Comprehensive Guide", IEEE Communications Magazine
- [TSN Task Group 공식 사이트](https://1.ieee802.org/tsn/)

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Credit-Based Shaping은 실시간 네트워크에서 비정기적 트래픽의 대역폭을 효과적으로 제어하는 핵심 기술로, TSN 기반 인프라의 안정성과 예측 가능성을 높이는 데 기여하고 있습니다.